（材料加工工程专业论文）基于开放式平台的变量化冲模结构设计集成技术研究.pdf

基于开放式平台的变量化冲模结构设计集成技术研究 摘要 在冲模开发过程中。冲压工艺设计和模具结构设计联系紧密却各有侧重：冲压工艺设计 是一个复杂的知识继承、集成和创新过程；冲模结构设计中，模具装配体包含众多类型的标 准件、半标准件、非标准件等零部件以及相对集中的装配约束。因此，作为冲压工艺设计的 下游，冲模结构设计如何按照设计方法学的要求，支持其上游富于创造性的设计过程，如何 以统一的技术路线、丰富的技术方法完成自身量大面广的零部件设计和装配关系定义，对于 冲压产品开发的质量、成本和生产效率具有重要的意义。 本文在回顾和分析冲模结构c a d 技术发展历程的基础上。针对上游冲压设计过程和自 身设计过程中富含概念设计等特点，提出了“纵横结合”的冲模结构c a d 设计构想，即通 过提供纵向设计向导和横向设计平台支持反复设计环境下的创造性设计，并对该设计构想的 几项关键技术进行了重点研究。 针对冲模结构设计中各种标准件、半标准件、非标准件的设计特点，本文提出了主动约 束变量矩阵理论，重点研究了各类零部件的各种约束变量在该理论中的映射，比较了具有代 表性的几类零部件设计策略的异同，从而提出了各类零部件设计的统一的技术路线和不同的 技术方法。 建立了横向设计平台关键技术实现策略。研究了横向平台在智能化设计环境中的功能， 开发了智能装配助手、咨询助手、凸模生成助手等功能模块，重点实现了零部件上刃口环的 定位与生成、凹模板上排样图的分层定位与生成等关键技术。 建立了纵向设计向导关键技术实现策略。依据主动约束变量矩阵理论，以变量化技术为 主要手段，集成c o m 、变量化装配设计，特征、三维设计、o d b c 、数据库等相关技术， 统一给出了各类零部件设计的技术路线：通过建立数据库、图形库，实现其相互通讯，完成 标准件的设计；通过确定基本主动约束变量矩阵和附加主动约束变量矩阵，以变量化技术动 态约束驱动非标准件的生成和装配关系定义；通过确定从动约束矩阵，以变量化技术动态实 现半标准件设计。重点实现了基于开放式平台的变量化支持自顶向下的模具总体结构设计、 凸模设计和凹模设计等关键技术。 基于关键技术的研究，本文在s o l i d w o r k s 平台上，建立了基于开放式平台的变量化冲 模结构设计系统，提供了反复设计环境下“纵横结合”的冲模结构设计平台，设计者能够在 系统提供的横向设计平台和纵向设计向导的支持和引导下完成支持反复设计的冲模结构设 计 关键词：冲模结构设计；反复设计；变量化设计；开放式平台；纵向设计向导；横向设计平 台 r e s e a r c ho ni n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fv a r i a t i o n a ls t r u c t u r e d e s i g nf o rs t a m p i n g d i eb a s e do no p e np l a t f o r m a b s t r a c t i nt h es t a m p i n gd i ed e s i g n ，p r o c e s sp l a n n i n ga n dd i es t r u c t u r ed e s i g na l et w o t i g h tp r o c e d u r e s w i t ht h e i ro w ne m p h a s i s s t a m p i n gp r o c e s sp l a n n i n gi sac o m p l e xp r o c e d u r ew h i c hi n c l u d e st h e i n h e r i t a n c e ，i n t e g r a t i o na n di n n o v a t i o no f d e s i g nk n o w l e d g e i nt h es t a m p i n gd i es t r u c t u r ed e s i g n , a s s e m b l yi n c l u d e s l o t so fs t a n d a r dp a r t s ，h a l f - s t a n d a r dp a r t s ，n o n s t a n d a r d p a r t sa n dt h e i r c o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i p s o t h ef o l l o w i n gs t e po fp r o c e s sp l a n n i n g h o wt os u p p o r tt h ep r o c e s s p l a n n i n gi na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n to fd e s i g nm e t h o d o l o g y , a n dh o wt or e a l i z et h ep a r t d e s i g na n dr e l a t i o n s h i pd e f i n i t i o ni nd i ea s s e m b l yb yu s i n gt h eu n i f o r mt e c h n i c a lr o u t ea n d d i f f e r e n td e s i g nm e t h o d si so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rd i es t r u c t u r ed e s i g nw i t hl o w e rc o s t , h i g h e r q u a l i t ya n de f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so f t h er e v i e wa n da n a l y s i so f t h eh i s t o r yo fs t a m p i n gd i es t r u c t u r e c a dt e c h n o l o g y , a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o c e s sp l a n n i n ga n dt h ed i es t r u c t u r ed e s i g n i t s e l kt h ei d e aw h i c hc o m b i n i n gt h eh o r i z o n t a ld e s i g na n dv e r t i c a ld e s i g ni ns t a m p i n gd i ec a d s y s t e mi sp r o p o s e d s o m ek e yt e c h n o l o g i e so f t h i si d e aa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ra sw e l l r e f e rt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t a n d a r dp a r t s ，h a l f - s t a n d a r dp a r t sa n dn o n - s t a n d a r dp a r t si nt h e d e s i g no fs t a m p i n gd i es t r u c t u r e ，t h et h e o r yc a l l e dd r i v i n gc o n s t r a i n t sm a t r i xi sp u tf o r w a r d ，a n d t h ep r o j e c t i o no fa l lk i n d so fp a r tv a r i a b l e si nt h et h e o r yo fd r i v i n gc o n s t r a i n t sm a t r i xi ss t u d i e d a f t e rr e s e a r c h i n gt h ed i f f e r e n c eo ft h ed e s i g ns t r a t e g yb e t w e e ns e v e r a lt y p i c a lp a r t s ，t h eu n i f o r m t e c h n i c a lr o u t ea n d d i f f e r e n t m e t h o d s f o r t h e d e s i g n o f a l l k i n d s o f p a r t a r e p r o p o s e d t h es t r a t e g yf o rr e a l i z i n gt h ek e yt e c h n o l o g i e si nh o r i z o n t a ld e s i g np l a t f o r mi se s t a b l i s h e d t h ef u n c t i o n so fh o r i z o n t a ld e s i g ni nt h ei n t e l l i g e n td e s i g ne n v i r o n m e n ta r es t u d i e s ，a n ds e v e r a l f u n c t i o n ss u c ha si n t e l l i g e n ta s s e m b l ya s s i s t a n t , c o n s u l t a n ta d v i s o ra n dp u n c hd e s i g na d v i s o ra r e d e v e l o p e d ，a n de s p e c i a l l y , t h et e c h n o l o g i e so fl o c a t i o na n dc r e a t i o no fc u t t i n ge d g e ，a n dl o c a t i o n a n dc r e a t i o no f l a y o u to nd i ep l a t eb yl a y e r sa r er e a l i z e d t h es t r a t e g yf o rr e a l i z i n gt h ek e yt e c h n o l o g i e si nv e r t i c a ld e s i g np l a t f o r mi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h et h e o r yo f d r i v i n gc o n s t r a i n t sm a t r i x , b yu s i n gv a r i a t i o n a ld e s i g nt e c h n o l o g y , m u l t i p l e t e c h n o l o g i e ss u c h 硒c o m , v a r i a t i o n a la s s e m b l i n g , f e a t u r et e c h n o l o g y , 3 dd e s i g n , o d b c ， d a t a b a s ea l ei n t e g r a t e d ，a n df i m h e r m o r e ，t h et e c h n i c a lr o u t e so f a l lk i n d so f p a s td e s i g ni su n i f i e d t h es t a n d a r dp a r tc a r lb ed e s i g n e db ye s t a b l i s h i n gd a t a b a s e ，g r a p hb a s ea n dt h e i rc o m m u n i c a t i o n s ； t h en o n - s t a n d a r dp a r ta n dt h e i ra s s e m b l yr e l a t i o n s h i pc a nb ed e s i g n e db yd e f i n i n gt h eb a s i c d r i v i n gc o n s t r a i n t sm a t r i xa n dt h ea d d i t i o n a lm a t r i x ；t h eh a l f - s t a n d a r dp a r tc a l lb ed y n a m i c a l l y d e s i g n e dt h r o u g hv a r i a t i o n a ld e s i g nt e c h n o l o g yb yu s i n gd r i v i n gc o n s t r a i n t sm a t r i x t h e v a r i a t i o n a l ，t o p - d o w nd i es l i u c t u r eg e n e r a ld e s i g n , p u n c hd e s i g na n dd i ep l a t ed e s i g nb u s e d0 1 1 o p e np l a t f o r mi sa l s or e a l i z e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h ea b o v e - m e n t i o n e dk e yt e c h n o l o g i e s ，av a r i a t i o n a ls t a m p i n gd i es t r u c t u r e d e s i g ns y s t e mo l lo p e np l a t f o r mi se s t a b l i s h e db a s e do ns o l i d w o r k s t h i ss y s t e mp r o v i d e sad i e s t r u c t u r ed e s i g np l a t f o r mw h i c hc o m b i n et h eh o r i z o n t a ld e s i g na n dv e r t i c a ld e s i g ni nt h e r e p e a t i n g d e s i g ne n v i r o n m e n t , t h ed e s i g n e rc a nf u l f i l lt h ed i es t r u c t u r ed e s i g nb yu s i n gh o r i z o n t a lp l a t f o r m a n dv e r t i c a ld e s i g nw i z a r dp r o v i d e db yt h es y s t e m k e yw o r d s ：s t a m p i n gd i es h u c t u r ed e s i g n ；r e p e a t i n gd e s i g n ；v a r i a t i o n a ld e s i g n ；o p e np l a t f o r m ； v e r t i c a ld e s i g nw i z a r d ；h o r i z o n t a ld e s i g n i l l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密日，在2 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以匕方框内打“”) 学位论文作者签名：币簪扬 指导教师签名：僻事 日期p 。哆年弓月岁日 同期：矽哆年；月岁目 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嚼扬 日期：乒一哆年3 月岁日 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 模具工业是影响产品开发的重要环节，在现代化工业生产中，约6 0 - 9 0 的工业产品需 要使用模具生产。模具开发能力的强弱、水平的高低，直接影响着新产品的开发和旧产品的 更新换代，关系着整个制造业产品质量和经济效益的提高。为了赢得竞争，一场以发展先进 制造技术为特征的新的制造业革命，正在世界范围内蓬勃展开，引入先进制造技术以改造传 统的模具工业已成共识0 1 。我国自改革开放以来，随着社会经济的发展，人们对工业产品的 品种、数量、质量和款式都有了越来越高的要求；同时，世界制造业中心正逐步向中国转移， 我国的模具工业迅速发展起来，并以每年1 3 左右的速度快速增长，如汽车工业在“十五” 期间其相关模具和工业装备的需求预计超过千亿元。 冲模作为模具家庭的重要成员，其数字化设计与制造技术的研究与实施是该领域目前的 重要方向，而冲模c a d 技术又是数字化冲模设计的核心环节之一。冲模c a d 技术的研究， 总体上可以分为冲压工艺设计c a d 技术研究和神模结构设计c a d 技术研究。在过去的2 0 年里，无数前辈在冲模c a d 领域取得的累累硕果为本论文的开展奠定了坚实的基础，而如 何继承前人的成果，并在冲模结构设计领域加以提升以建立更开放的设计环境从而进一步 拓展冲模c a d 技术正是本文的出发点和归结点。 1 1 从宏观看冲模结构c a d 技术 纵观现代科学技术的发展趋势，多学科的相互交叉、相互渗透和集成已成为科学技术发 展的动力和源泉。随着科学技术的飞速发展，现代模具技术已经发展成为一门综合性科学技 术，涉及材料科学、力学、机械、计算数学、计算机科学、自动控制、人工智能等多学科领 域。计算机集成制造、并行工程、快速原型制造、敏捷制造、虚拟制造、智能制造等先进制 造理念和技术不断涌现，并迅速应用到模具制造工业，推动着现代模具技术向集成化、并行 化、智能化、敏捷化和数字化方向发展h 。“以信息化带动工业化、以工业化促进信息化” 是我国加速实现工业化和现代化的重要战略。而我国模具技术的发展进程与发展趋势也说 明：模具技术必须在更广泛、更深入、更系统的程度上，综合运用国内外高科技的发展成果 特别是信息技术的发展成果，迅速提升传统的模具设计与制造水平。 以在工业生产中占很大比例的冲压模具为例，随着信息技术的引入，冲模设计的数字化、 自动化与智能化已成为近3 0 年来许多专家和学者始终追求的目标，在这一领域里已取得了 丰硕的成果。考察冲模数字化设计3 0 年的历程，可以发现：随着时代的变迁、信息技术的 发展，新的思想方法和技术手段总是不断地与传统的冲模设计相结合；可以说，数字化冲模 设计的发展历程，也就是一部新思想、新方法、新技术集成与融合的历史。 国外冲模c a d 技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代末，到7 0 年代初才陆续出现一些商业 化软件。这些早期的c a d c a m 软件，以今天的标准来评价是相当初级的，但它们为此后 的发展奠定了坚实的基础；而诸如模具零部件的标准化、模具零部件的计算机建模以及冲裁 模具的排样区域等c a d 设计概念至今仍为研究者所采用。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着c a d c a m 技术的广泛采用，许多通用c a d c a m 系统开 始提供供用户定制的编程语言，并提供与高级编程语言( 如f o r t r a n ) 的接口，支持系统 的二次开发，由此开发了一些相对较为高级的冲模c a d c a m 系统，如a d m sd i em a s t e r 系统，m e t a l c a d 和e x c e s s & s 仃i k c r 系统等。这阶段计算机高级编程语言和冲模设计的 第一章绪论 融合更为广泛、通用 2 0 世纪8 0 年代末起，人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 技术开始应用于工程设计 领域，冲模c a d 技术的研究又迈上了一个新台阶。目前，a i 技术在冲模c a d c a m 系统 中的应用主要以专家系统( e x p e r t s y s t e m 。e s ) 为主，如d b e d w a r d s 等人开发了基于特 征的s m a r t 系统( s h e e tm e t a la d v i s o ra n dr u l et u t o r ) ：美国p u r d u e 大学的ge s h e l 等人开 发了轴对称零件拉深加工工序自动设计系统a g f p o ；美国的s u r e s hk s i t a r a m a n 等人也开 发了一个轴对称拉深工序设计系统，该系统由基于知识的专家系统模块和工艺模拟分析模块 组成，专家系统部分根据设计经验规则产生初步工序，然后由分析模块模拟金属成形过程， 校验工序排列正确与否；美国f l o r i d a 大学的r e h au 笛0 y 等人开发了针对简单弯曲件的实验 专家系统，实现了带有圆形冲孔的简单平板弯曲件加工工序的自动确定：美国m i t 的m i c h a e l r d u f f e y 等人建立了一个铰链级进模设计专家系统，用户只需输入铰链尺寸、铰链上槽的 数目、螺钉数及类型，系统便能自动产生铰链展开图及排列方式，并决定各工序在条料上的 排列位置；新加坡南洋理工大学的b n k a n n 等人也开发了一个工步排样专家系统。 目前国外商品化程度较高的冲模设计软件有美国计算机设计公司( c o m p u t e rd e s i g n i n e ) 开发的基于a u t o c a d m d t 平台的冲模c a d 忙a m 软件s s s t r i k e r 和新加坡c a d - i t 公司开发的v 6 系统等多种，一般具有基于特征的2 d 3 d 产品设计、弯曲展开计算、轴对称 或盒形拉深件毛坯计算、毛坯优化排样与工步交互设计、模具结构设计以及线切割编程等功 能【3 - 1 6 1 。 我国的冲模c a d 研究始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 4 年华中理工大学研制了精冲模c a d c a m 系统，1 9 8 5 年北京机电研究所研制了冲裁模c a d c a m 系统，1 9 8 6 年上海交通大学 和华中理工大学分别研制了冲裁模c a d c a m 系统；相继又有西安交通大学、华中理工大 学和上海交通大学等单位开展了拉深模和冲裁一弯曲多工位级进模c a d 的研究。此外，国 内其它一些研究机构也完成了一系列的冲模c a d 系统，但迄今为止，只有冲裁模c a d c a m 技术应用于实际生产在冲模智能设计方面，国内的华中科技大学、浙江大学、上海交通大 学等也研制了一些弯曲、轴对称拉深工艺设计以及级进冲模工艺设计的实验专家系统。如上 海交通大学于1 9 9 4 年开发了智能型多工位冲裁级进模工步排样系统，实现了引线框架类零 件的工步自动排样；1 9 9 6 年起开始了带弯曲和成形工序的基于特征与知识的级进模工步设 计专家系统的研究 1 7 - 2 3 1 。 考察国内外冲模c a d 技术的研究与实施之后，本文作者感到：虽然该领域在研究层面 上取得了丰硕的成果，但迄今为止，其工业应用却并不容乐观，即使是国外一些商品化与专 业化程度较高的冲模设计系统在国内也未被模具企业广泛认可。因而，冲模c a d 技术在研 究开发与工业应用之间存在着明显的“缺 口”( g a p ) 。中国工程院院士阮雪榆教授也 曾指出口“，由于当前高科技的迅猛发展，工 业企业对高科技成果的实施处于落后状态； 文章通过引用美国e d s 公司技术报告图( 如 图1 1 所示) 说明高科技的产业化任务不仅 在于研究与开发，即图中的a 线，更在于致 力于将图中的b 线向上拉升，以减小b 线与 a 线的差距。因此，高科技成果在的工程领 域的实施，不仅在于领域本身纵向的研究与 开发，更在于从战略上采取系统集成 ( s y s t e mi n t e g r a t i o n ，s i ) 的概念与方法， 运用更多、更广的高科技成果进行研究与开 2 时问 - 高科技发展8 - r 业企业的实施 目1 1 工业实施落后于高科挂发展的形势1 f i g 1 1c o m p a r i s o n o nd e v e l o p m e n t o f h i g h - t e c h w i t hi t si m p l e m e n ti ni n d u s t r y 上海交通大学硕士学位论文 发 冲模c a d 技术同新思想、新方法、新技术的集成与融合，是现代模具技术发展的重要 战略：而各种新思想、新方法、新技术兼收并蓄，为我所用，以人为本，则是这种系统集成 与融合所应掌握的原则。 中国科学院路甬祥院士提出的“人机一体化系统与技术”1 2 ，l 深刻地论述了这一原则。 “所谓人机一体化系统，就是采取以人为主，人期，械一体的技术路线，人与机械共同组成 一个系统，各自执行自己最擅长的工作，从而突破传统的智能系统的概念，形成达到甚 至超过人的能力乃至智力的超智能系统。其核心内容是强调人在系统中的重要性，以人 为中心构成新型机械系统。”这种论述的重点，就是强调计算机与人有着各自的优势本文 认为：智能化的重点，在于提供一种平台。让人与计算机各自执行自己最擅长的任务，各 自发挥出各自的优势。c a d 的技术路线。不应是提供一种全自动的“智能系统”，而应是一 种友好的智能设计环境。基于这种环境，人可以发挥人的优势，把主要的精力集中到创造性 的概念设计上来；而计算机则主要完成重复性的计算、统计咨询等工作。以冲模结构设计为 例：一方面，模具结构c a d 设计，理所当然地要充分利用信息技术发展的成果，将新思想、 新方法、新技术不断引入冲模结构c a d 设计中因此，模具结构c a d 设计要在战略上 广泛集成变量化装配设计、参数化设计、c o m ，特征、数据库、o d b c 、三维设计等技术； 另一方面，又要以技术的融合为手段，不应为集成而集成，不应片面追求设计的全面“自动 化”、知识发现的完全“无人化”，从而完全忽视设计者的创造性和设计过程的复杂性。模具 结构c a d 的目的，是提供一个人和机器各取所长的开放式平台，让计算机起到“顾问”和 “助手”作用，而最终的决策权、创造力，必须掌握在设计工程师手中 1 2 从微观看冲模结构c a d 技术 冲模结构c a d 处在完整的冲模c a d 系统的下游。冲模结构c a d 工作的起点，是冲压 工艺设计所提供的清晰、完整的工艺方案( 如工步排样图) 和相关参数。以下本文从纵向和 横向角度考察冲模结构c a d 过程： 冲模结构c a d 设计的纵向过程 首先进行模具总体结构设计，从而确定模具的基本结构形式、典型组合和模架类型；其 次进行模具零部件的详细设计，基于已定义的模具装配模型，生成与工步排样相对应的工作 零件( 凸、凹模等) 、卸料机构、导料与定距机构和圃定机构等模具零部件的实体，并确定 各零部件之间的装配关系。 冲模结构设计的横向过程 冲模结构设计中横向的反复设计是冲模结构设计的重要特点反复设计不应理解为重 复设计，本文认为：反复设计是符合设计方法学的支持概念设计的设计。冲模设计过程凝 结着设计工程师大量创造性的劳动，在设计过程的各阶段，特别是概念设计阶段，这种创造 性的劳动和成果，是以反复地进行创造性的修改为特征的( 本文将在第二章对此进行阐述) 。 这就要求在模具结构c a d 中，将创造性的工作让位于设计工程师，将重复性的劳动补位给 计算机，“让位”和“补位”统一于反复设计环境下的冲模结构c a d 技术。总的来说，反 复设计所支持的是设计者的创造性劳动。 从总体设计到详细设计，冲模c a d 的反复设计的特点，决定了集成与融合各种先进的 思想、方法和技术，以提供一个“纵横结合”的平台的必然。 1 2 1 冲模结构设计c a d 运用数据库及o d b c 等技术的必然 3 第一章绪论 模具零部件按照其特点，可以分为完全标准件、非标准件和半标准件三类 3 1 。以下分析 模具零件设计程序对这三类零件的设计任务： 完全标准件指标准圆凸模、挡料销、导柱、导套、卸料螺钉、项杆等。这类 零件的形状参数存于数据库中，模具零件设计程序的任务是根据各零件的关键尺寸，在数据 库中检索相应的参数，生成零件实体、给出其装配关系，并完成相关板件上对应孔的设计。 非标准件如异形凸模，凹模、成形侧刃等。这类零件无标准形式，需按不同 的工件形状或排样方式进行设计。模具零件设计程序的任务是给出完整的实体描述及其装配 关系，并完成相关板件上对应孔的设计。 半标准件指凹模板、凹模固定板，卸料板、各类垫板、上模座、下模座等。 这类零件外形和标准件一样，已经标准化，而其内形随配合件( 如完全标准件或非标准件) 的变化而变化在模具总体结构设计时已生成各板类零件实体，即未开孔的板件：在模具零 件设计过程中，将随完全标准件和非标准件的设计而完成相关的半标准件上对应孔的设计。 可以看出，一副模具包含了大量标准化的零部件，完全标准件自始至终都是标准化的， 半标准件在模具总体设计之时、零部件详细设计之初，仍然可以划归标准化零件之列。零件 的标准化，决定了数据库与图形库在冲模结构c a d 设计中的广泛运用；而零部件之间的通 讯必然要用到o d b c 或与其相当的数据库管理技术 1r 2 2 冲模结构设计c a d 运用c o m 等技术实现变量化设计的必然 c a d 技术发展至今，基于特征的三维参数化设计技术可以为设计者提供很好的通用设 计平台。为充分利用这一成果，大多数冲模c a d 系统都构建在通用平台软件之上i 曲j ，而通 用平台软件所提供的编程语言与编制冲模系统所采用的语言之间的接口，往往要通过运用 a c t i v e 技术来实现。 在总体结构设计阶段，模架库各种典型组合内要实现真正的变量化装配设计、支持自顶 向下的设计习惯，必须实现典型组合中各标准件、半标准件的变量化约束。这种变量化约束 的实现，只有通过通用软件提供的编程语言与高级语言的接口，调用其提供的a p i 函数， 才能实现对特征模型的变量化约束。因此，a c t i v e 技术( 如组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ，c o m ) ，o l e 等) 是实现标准件之间变量化约束的重要途径。 此外，在详细零部件设计阶段，半、非标准件生成的实现、各种零部件之间装配关系定 位、以及其它辅助机构的生成，也同样需要利用c o m 接口，进行几何信息的查询、记录、 修改和调用。可以说，a c t i v e 技术与通用支撑软件之间的融合程度是决定系统开发成败的关 键因素之一。 1 2 - 3 冲模结构设计c a d 提供开放式平台的必然 现代技术的发展，使人们对“制造”有了更深刻的认识。通常人们仅仅把工艺规划、库 存控制，生产及维护等活动称为制造，这只是一种狭义的理解。从广义上说，制造应包括对 产品的需求分析、产品概念的形成、设计、生产、销售以及对用户在使用产品过程中的服务 等一切活动，也就是包括了产品生命周期中的全部活动。因此，冲模c a d 设计必然影响到 整个产品生命周期，整个产品生命周期中任何一个环节也必然影响到冲模c a d 设计。面对 这样一个开放的制造环境，冲模c a d 设计必然是反复的设计过程迄今为止，尚未发现 可以在本系统内部就可解决所有设计问题的冲模c a d 系统；而冲模c a d 系统如果不能顺 应这种反复的设计规律，也必然会在工程实践中遇到难以解决的矛盾。 4 上海交通大学硕士学位论文 因此，作为冲模c a d 系统的重要组成部分，冲模结构c a d 的功能模块必须完善纵向 和横向两方面功能，建立一个开放式的设计平台。 所谓纵向模块，就是从时间上、从设计流程上实现冲模结构c a d 设计。如前所述，纵 向模块必须能够完成模具总体结构设计、模具零部件结构设计，实现规范的模具结构设计流 程。 所谓横向模块，就是不拘泥于设计流程，使设计人员在任何时、任何处、任何流程中， 都可以运用的工具平台。如上文所提到的，一个友好的智能设计环境，计算机应充分发挥其 优势，进行重复性的计算、统计咨询等工作，横向模块尤其需要深化这一设计思想，它能够 使用户在设计过程的任何阶段反复地运用该模块所提供的平台工具。这就是冲模结构c a d 开放式设计平台最主要的含义和目的。 1 3 从现有设计软件常见问题看) 中模结构c a d 技术 1 3 1 现有软件对自顶向下的模具结构设计方法的支持程度 采用通用的机械c a d 系统进行冲模结构设计时，模具结构设计多采用自底向上 ( b o a o m - u p ) 的设计方法，该方法首先设计出模具零件，然后把设计好的零件逐个拼装起 来，这是一种无法实现零部件之间尺寸约束和装配约束的设计方法 真正符合模具结构设计习惯的是支持自顶向下( t o p - d o w n ) 的设计方法，该方法的核 心思想是统一定义零部件之间的尺寸约束和装配约束，大部分几何尺寸关系和装配关系一次 定义完成瞄i 。 1 3 2 现有软件对模架库的开放性 以s o l i d w o r k s2 0 0 1 中的第三方插件m o l d - b e 为例。该模块专用于生成注塑模模架， 作为研究开发的重要参考，在本文的研究过程中，亦对该插件进行了一定的分析与研究。在 m o l d - b a 中，模架库的封闭性是一个值得关注的问题。m o l d - b a s e 中有若干套符合若干标准 的图形库和数据库，但实际的生产情况是：很多企业都有自己的企业标准和设计习惯，需要 符合自己企业标准和习惯的数据库和图形库，这种情况在冲压领域，特别是级进模制造领域 尤为突出。按照m o l d b a s e 的设计思路，一般用户若想拥有符合自己企业标准的独立数据库， 增加系列标准，必须白行重新建立数据库、图形库，开发建模程序代码，因而对一般用户具 有一定的封闭性。 1 3 3 现有软件所提供工作平台的开放性 在本文的研究过程中，曾对部分冲模c a d 软件进行用户调查调查结果表明，很多冲 模c a d 软件并没有为设计人员提供开放式的工作平台，所造成的结果是当设计人员按照该 软件的设计流程进行冲模结构设计时，完全可以完成设计工作；而在设计领域之外发现模具 结构存在不合理情况，希望修改模具结构时，由于软件系统不支持这种修改，最终造成模具 设计和制造的失败。 由于冲模结构c a d 处在冲压工艺设计的下游，它的设计直接依赖于冲压工艺设计的结 果；如工艺设计发生了变化( 如排样图的改变) ，冲模结构设计也应随之发生变化。如上文 所述，现代化的“制造”概念，必然要求冲模设计是反复的设计过程，而且，冲压工艺分析 5 第一章绪论 与设计本身，又是非常富有创造性的工作，这两个特点决定了冲模结构c a d 必然是反复设 计的环境；如果冲模结构c a d 模块不能支持这种反复的设计过程，是无法胜任结构设计工 作的。 另一方面虽然在整个冲模c a d 系统中，冲模结构c a d 并非最核心的部分，但却往 往是工作量最大，最繁琐的设计过程。如果冲模结构c a d 模块不能支持这种反复的设计过 程，不能让设计人员在反复的设计过程中，在设计流程的任意阶段，都能自由、方便地运用 系统提供的平台，那么设计人员必然要放弃创造性的工作，转而将大量的精力投入繁琐、枯 燥、重复性的劳动上，这样完全背离了发展冲模结构c a d 技术的初衷。 由此可见，冲模结构c a d 研究绝不能仅仅停留在众多计算机技术的应用上。冲模结构 c a d 研究的归结点，还是模具结构设计本身。研究人员必须去探询在冲模结构c a d 过程中， 哪些工作是设计人员在多个设计流程中反复出现的：哪些几何信息、工艺信息、设计决策信 息是设计人员十分关心的；冲模结构c a d 研究过程中哪些数据和信息是可以、而且应该向 设计人员开放的；哪些数据和信息是应该整合以后以另一种形式提供给设计人员的只有 这样，才能更好地成为设计人员的“顾问”和“助手”，才能更好地提供设计人员一个友好 的智能化设计环境。 1 4 本文研究的主要内容 本论文是在上海市科学技术发展基金科技攻关项目“智能设计与虚拟设计应用技术及软 件开发”( 项目编号：0 1 5 1 1 1 0 0 4 ) 资助下进行的本文研究的主要目的，是运用变量化技术， 广泛集成数据库、o d b c 、c o m 、三维设计、特征、变量化装配设计等相关技术，开展支持 反复设计的“纵横结合”的冲模结构c a d 设计平台技术的研究。 本文研究的主要内容如下： 第一章概要阐述了冲模结构c a d 的发展和趋势说明了本文的研究目的和内容， 提出了反复设计环境下纵横结合的冲模结构c a d 设计思想。 第二章介绍了冲模结构c a d 设计平台的技术基础，概要说明了变量化技术及其它 相关技术的集成，使提供纵横结合的冲模结构c a d 设计平台成为可能。 第三章简要介绍了冲模结构c a d 设计平台的系统框架。 第四章详细阐述了开发冲模结构c a d 设计平台的几项关键技术，提出并运用主动 约束变量矩阵理论，建立了纵横结合的冲模结构设计中各关键技术的方法。 第五章对全文进行了总结，并对今后的研究和发展作了展望。 本章参考文献 【l 】彭颖红金属塑性成形仿真技术上海：上海交通大学出版社，1 9 9 9 1 - 2 【2 】赵震面向创新设计理论体系的智能冲压工艺设计k b e 技术研究上海：上海交通大学博士学位论文， 2 0 0 2 。5 ：i - 3 f 3 】周雄辉、彭颖红现代冲模设计制造理论与技术上海：上海交通大学出版社，2 0 0 0 【4 】肖祥芷冲压工艺与模具计算机辅助设计北京：国防工业出版社，1 9 9 6 【5 】n a k a h a n , s ，na lc o m p u t c r o m d c dp r o g r e s s i v ed i ed e s i g n p r o c e e d i n go f t h e1 9 t hc o n f e r e n c eo l lm a c h i n et o o l d c s l g na n dr e s e a r c h ，1 9 7 8 ：1 7 1 1 7 6 【6 】d i 】厨a n ds u n , q k n o w l e d g e - b a s e dd e s i g no fp r o g r e s s i v es t a m p i n gd i e s j o u r n a lo fm a t e r i a lp r o c e s s i n g 6 上海交通大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y , 1 9 9 1 ，2 8 ( 1 - 2 ) ：2 2 1 - 2 2 7 7 1a s l s z a r o ，d te , n g q t l i s t , db e d w a r d s a ni n t e l l i g e n td e s i g nf o rm u f a e t u r a b i l 时s y s t e mf o rs l l e c t - m e t a l c o n c u r r e n t g i n c c r m gr e s e a r c ha p p l i c a t i o n , 1 9 9 3 ，l ( 2 ) ：1 1 7 - 1 2 3 【8 】m t i s z a e x p e r ts y s t e m s f o r m e l a l f o r m i n g j o u r n a lo f m a t e r i a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , 1 9 9 5 ，( 5 3 ) ：4 2 3 - 4 3 2 【9 】kh u a n g ，h s i s a n a i l ，k kb 1 t o n a u t o m a t e dd e s i g no fp r o g r i v cd i e s ，p r o c e e d i n g s i n s l i t u t i o no f m e c h a n i c a le n g z t l c c r sp a r tb ，j e n gm a n t f f 1 9 9 6 , ( 2 1 ：3 6 7 3 7 6 【t o sk e s c i l c ，s k l u l m i t k a r , qk i n z e l ，ta l t a r t p r o c e s sa n dd i ed e s i g nf o